mini|Lieferrober Daxbot bei der Auslieferung von Essenseinkäufen Als autonome mobile Roboter werden Roboter bezeichnet, die sich in ihrer Umgebung selbständig bewegen und agieren können. Dabei existieren aktuell verschiedene Abstufungen in Bezug auf die Autonomie, also die Unabhängigkeit des Roboters. Mobile Roboter werden oft schon als autonom bezeichnet, wenn die sie steuernde Software/Elektronik/Hardware sich auf dem Roboter befindet. Der Roboter ist dann solange autonom, wie seine Energieversorgung dies zulässt. Dem Roboter Anweisungen zu übermitteln, wie oder welche Aufgabe er erledigen soll, stört nicht seine Autonomie. Ein Roboter ist erst dann vollständig autonom, wenn der Roboter auch in Bezug auf seine Energieversorgung unabhängig ist, z. B. mittels einer Versorgung mit Energie zum Laden der Akkus über Solarzellen oder dem Wechsel seiner Akkupacks.
Die Entwicklung mobiler autonomer Roboter wird unter anderem durch Wettbewerbe wie die DARPA Grand Challenge oder den RoboCup vorangetrieben. General Motors plant erste unbemannte PKW im Test ab 2015 und in der Serienproduktion ab 2018.spiegel.de: Autofahrer ab 2018 überflüssig
Definition Es gibt keine einheitliche Definition für autonome mobile Roboter, jedoch beschreibt der Name schon die wichtigsten Kriterien für solche Roboter.
Roboter
Roboter sind ortsfeste oder mobil bewegliche Maschinen, die nach einem bestimmten Programm festgelegte Aufgaben erfüllen.
Mobilität
Mobilität bedeutet im Bereich der Robotik, dass der Roboter nicht fest an einer bestimmten Stelle montiert ist, sondern sich mehr oder weniger frei in einer bestimmten Umgebung bewegen kann. Die Art des Terrains bestimmt hierbei die notwendigen Aktoren zur Fortbewegung. Während sich beispielsweise Räder für eher ebenes Gelände eignen, sind für unebenes Gelände meist Ketten oder Beine (s. Laufroboter) von Vorteil.
Autonomie
Die Autonomie eines Roboters lässt sich in verschiedenen Graden realisieren. Beispielsweise sind Roboter, die zwar selbständig ihre Umgebung erkunden und die ihnen gestellten Aufgaben abarbeiten, aber immer wieder zu einer Ladestation zurückkehren müssen, nicht völlig autonom. Der notwendige Grad an Autonomie, der für einen bestimmten Roboter notwendig ist, lässt sich aus der Spezifikation der zu erledigenden Aufgaben bestimmen.
Einsatzgebiete Mobile Roboter unterscheiden sich stark in Konstruktion und Aufbau durch ihre unterschiedlichen Einsatzgebiete:
Selbstbau- und Spielroboter
Autonome Kleinroboter, deren Einsatzgebiet im nichtkommerziellen Hobby- und Spielbereich liegt. Typische Vertreter sind organisierte Interessengemeinschaften, die auch im internationalen Maßstab agieren.
Serviceroboter
mini|Staubsaugerroboter an seiner Ladestation Dieser kommerzielle Einsatz der mobilen Roboter gewinnt zunehmend an Bedeutung. Typische Einsatzfälle sind: Informationsplattformen in Baumärkten, Inspektionsroboter auf Ölplattformen oder in Rohrleitungen oder Serviceroboter im Pflege- und häuslichen Bereich. In diesen Bereich fallen auch Dienstleistungsroboter für den privaten oder gewerblichen Einsatz wie Staubsauger- und andere Reinigungsroboter, Rasenmähroboter sowie Transportroboter.
Industrieroboter
mini|hochkant|Mobiler Manipulator Little Helper, entwickelt am Ålborg Universitetscenter. Fahrerlose Transportfahrzeuge sind in der Industrie weit verbreitet. Mithilfe von Sensorik und Software zur Lokalisation, Navigation und Pfadplanung sind mobile Transportroboter verfügbar, die sich Wege selbständig suchen und dynamisch anpassen können. Wird ein industrietauglicher mobiler Roboter mit einem Roboterarm ausgestattet, so spricht man von einem mobilen Manipulator. Solche Systeme werden zum Beispiel in der Kommissionierung eingesetzt.
Such- und Rettungsroboter Mobile Roboter könnten in der Zukunft bei der zivilen Gefahrenabwehr eingesetzt werden, also zum Beispiel bei Bränden oder anderen Katastrophenszenarien. Man erhofft sich vom Einsatz den Schutz des Lebens der Einsatzkräfte wie auch der gefährdeten Menschen. Mögliche Einsätze der Roboter würden primär von Organisationen der Gefahrenabwehr (BOS) geführt werden, also zum Beispiel der Feuerwehr. Ein Studentenwettbewerb für den Entwurf und Bau von mobilen Robotern zum Finden und Bekämpfen von Brandquellen findet seit 1994 am Trinity College (Hartford, USA) statt.D. J. Pack, R. Avanzato, D. J. Ahlgren and I. M. Verner: Fire-fighting mobile robotics and interdisciplinary design-comparative perspectives. In: IEEE Transactions on Education, Jahrgang 47, Nr. 3 (August 2004), S. 369–376, . (Wettbewerb: Trinity College International Firefighting Robot Contest)
2016 veröffentlichte das deutsche Bildungsministerium (BMBF) die Rahmenbedingungen eines Förderprogramms für zivile Robotersysteme in menschenfeindlichen Umgebungen.Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF): Richtlinie über die Förderung zum Themenfeld „Zivile Sicherheit – Innovationslabore/Kompetenzzentren für Robotersysteme in menschenfeindlichen Umgebungen“ im Rahmen des Programms "Forschung für die zivile Sicherheit 2012 bis 2017" der Bundesregierung. Bundesanzeiger vom 20. Juli 2016 Mit Mitteln dieses Programms wurden ab 2018 unter anderem der Aufbau zweier Kompetenzzentren gefördert, eines für robotergestützte Dekontamination in menschenfeindlichen Umgebungen am Fraunhofer IOSB in Karlsruhe (Projektname: ROBDEKON) und eines für Rettungsrobotik in Dortmund unter Leitung der dortigen Feuerwehr (Projektname: A-DRZ).Bundesministerium für Bildung und Forschung: Zu gefährlich für Menschen? – Autonome Roboter helfen! 24. Juni 2019. BMBF-Beschreibung des Projektes A-DRZ Projektwebsites der beiden Kompetenzzentren sind robdekon.de bzw. rettungsrobotik.de
Hardware Die Hardware mobiler autonomer Roboter lässt sich hauptsächlich in zwei Kategorien einordnen, die Sensoren und die Aktoren. Dazu kommt die Steuerungselektronik, welche von relativ einfachen Schaltkreisen bis hin zu komplexen Computersystemen reichen kann. All diese Komponenten werden auf einem den speziellen Anforderungen des jeweiligen Roboters angepassten Gestell montiert.
Sensoren Die Sensorik autonomer mobiler Roboter lässt sich in zwei Kategorien einteilen. Interne Sensoren versorgen die Steuerungssoftware des Roboters mit Daten über den Zustand des Roboters, während externe Sensoren Daten über die Umwelt liefern. Interne Sensordaten wären beispielsweise Daten über den Ladezustand der Batterien, Daten von externen Sensoren umfassen hingegen beispielsweise alle Daten über Art und Entfernung von Hindernissen.
Beispiele für interne Sensoren Spannungsmessgerät (AD-Wandler) Odometrie („Kilometerzähler“) Thermometer für überhitzende Bauteile Funk-Empfänger
Beispiele für externe Sensoren Kollisionssensoren (z. B. Taster) Reflexlichtschranken Sonar Thermometer für Umgebung Strichcodelesegerät Beschleunigungssensoren Kreiselkompass LiDAR-Sensoren (Abkürzung für engl. Light detection and ranging) Kamera (RGB-, Infrarot- und Tiefenkameras)
Aktoren Aktoren sind das Gegenstück zu Sensoren und dienen der Manipulation des Roboters, beziehungsweise der Umgebung. Aktoren werden wie Sensoren in interne und externe Aktoren gegliedert. Während die internen Aktoren den Zustand des Roboters verändern (beispielsweise durch Aufladen der Batterien), dienen externe Aktoren unter anderem zur Fortbewegung oder zum Bewegen von Objekten.
Beispiele für interne Aktoren Ladegerät Gebläse Heizung (in sehr kalten Umgebungen) Relais zum Umschalten von redundanten Baugruppen Sender
Beispiele für externe Aktoren Motoren Servos Pumpen Lampen (für Anzeigezwecke oder als Beleuchtung für Kameras)
Software Zur Realisierung autonomen Verhaltens existieren verschiedene Softwareansätze. Folgende Auflistung von Softwarearchitekturen umfasst vier wichtige Ansätze zur Realisierung von Autonomie in mobilen Robotern. In der Praxis werden häufig Kombinationen dieser Techniken verwendet, und Methoden aus dem Bereich der neuronalen Netze miteinbezogen.
Verhaltensbasierte Architektur (Reaktive Architektur) Das reaktive Modell ist die einfachste Softwarearchitektur für autonome Roboter (und auch Software-Agenten). Das Verhalten des Roboters wird durch eine Ansammlung von Stimulus-Response (Sense-Act) Regeln definiert. Die sensorischen Inputs werden über jede dieser Regeln iteriert. Die Outputs dieser Regeln (Behaviors) bestimmen dann die Reaktion des Roboters, wobei eine Kombination der ausgelösten Verhalten ausgeführt wird. Wesentlich für diese Architektur ist, dass die Regeln keinen von außen beobachtbaren State besitzen. Dadurch, dass die Regeln gleichzeitig ausgelöst werden, und ohne Planung ihre Prozeduren durchlaufen, ist diese Architektur sehr schnell, im Gegensatz zu anderen planungsbasierten Ansätzen. Der größte Vorteil des reaktiven Modells ist seine Geschwindigkeit. Der Roboter kann sofort auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren, während andere Architekturen diese gar nicht erst registrieren, oder erst planen müssen wie sie mit diesem Ereignis umgehen. Nachteilig ist, dass der Roboter in dieser Architektur nicht lernt. Er erstellt kein internes Weltmodell und kann keine optimalen Routen, geschweige denn Langzeitstrategien planen. Dies ist hinderlich bei Einsatzgebieten, in denen nur eingeschränkte Kommunikation mit dem Roboter möglich ist.
Subsumption Architektur